CN102033074B

CN102033074B - 一种实时监测卤水中钾浓度的仪表及检测方法

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Publication number: CN102033074B
Application number: CN2010105035600A
Authority: CN
Inventors: 张伟; 侯朝勤; 龚亚林; 肖宪东; 周洪军; 吴志强; 李剑锋; 李岩峰; 张健; 赵龙; 魏晓云; 佟超; 陈树军; 杨学谦; 丛浩杰; 苟强源
Original assignee: Dandong Dongfang Measurement and Control Technology Co Ltd
Current assignee: Dandong Dongfang Measurement and Control Technology Co Ltd
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2030-10-12
Also published as: CN102033074A

Abstract

一种实时监测卤水中钾浓度的仪表及检测方法，监测仪表是：在探测腔体装有NaI(Tl)闪烁体探测器、β盖革-弥勒计数器及温度传感器。NaI(Tl)闪烁体探测器、β盖革-弥勒计数器和温度传感器的信号传输端连接仪表主机。使用β盖革-弥勒计数器降低仪表的造价。检测方法：将探测腔体置于卤水中，启动仪表，将NaI(Tl)闪烁体探测器接收到的能量为1.46MeV的γ射线数量进行累计，β盖革-弥勒计数器探测到的β射线进行计数，温度传感器将检测到的温度传输到主机，主机判断检测温度低于4℃，按下式计算卤水中钾浓度：

若温度等于或高于4℃，按下式计算卤水中钾浓度：本方法同时测量K-40衰变辐射出的β射线和γ射线，两种射线的计数相互修正、补偿，测量精度更高。

Description

一种实时监测卤水中钾浓度的仪表及检测方法

技术领域

本发明涉及一种钾浓度的检测仪表及检测方法，具体说涉及一种用于现场进行实时检测卤水中钾浓度(g/kg)的仪表及射线计量检测方法。

背景技术

在盐湖卤水生产钾肥的过程中，首先需要对浓缩池中的湖水日晒蒸发浓缩为钾浓度在一定范围内的卤水，因此能够对浓缩池中的卤水的钾浓度进行实时监测，对提高生产效率，节约能耗具有重要的意义。

另外，从海水中提取淡化水后，剩余部分盐分浓度增加，被称之为“浓盐水”。目前1万立方米的海水可以产出5千立方米的淡化水，剩余浓盐水含盐量比普通海水要高出一倍。浓盐水经再提炼可用于生产原盐使用，剩余的卤水部分还可再用于提取钾、镁等元素，而这些成分可以作为化学肥料的原料应用于农业。目前我国仅青岛一市，2010年海水淡化的规模就达到每天18万至20万立方米，到2020年海水淡化规模将达到每天35万至40万立方米。

因此，对卤水开发利用过程中的卤水钾浓度的实时监测，有着重要的意义。但是目前常用的分析卤水中钾浓度的方法多为重量法、容量法或用离子选择电极、原子吸收等仪表进行分析，但是这些方式都需要把卤水取样带回实验室后才能进行分析，手续烦琐，获得结果时间长，不能满足对卤水中钾浓度的实时监测。

发明内容

针对现有卤水中钾浓度的仪表及检测方法存在的缺陷，本发明提供一种检测速度快、检测精度高的实时监测卤水中钾浓度的仪表及检测方法。

解决上述技术问题所采取的具体技术措施是：一种实时监测卤水中钾浓度的仪表，其特征是：在探测腔体1的中间位置安装有NaI(T1)闪烁体探测器2，在NaI(T1)闪烁体探测器2的周围均匀对称置有四个β盖革-弥勒计数器，分别为：第一β盖革-弥勒计数器4、第二β盖革-弥勒计数器5、第三β盖革-弥勒计数器6、第四β盖革-弥勒计数器7，在NaI(T1)闪烁体探测器2上装有一端封闭圆筒状的铅制屏蔽3，在探测腔体1的前端，装有温度传感器8，在探测腔体1的后端，装有防水接头9，防水接头引出电缆，电缆另一端连接仪表主机10。

使用上述实时监测卤水中钾浓度的仪表的检测方法，其特征是：将探测腔体1置于卤水中，要求卤水完全没过探测腔体1，启动仪表：

NaI(T1)闪烁体探测器2从接收到的全部的γ射线中甄别出属于K-40的能量为1.46MeV的γ射线来，并对数量进行累计，将每秒的计数率N实时的通过电缆传输到主机10；

第一β盖革-弥勒计数器4将探测到的β射线进行计数，并通过电缆将每秒的计数率M1传输到主机10；第二β盖革-弥勒计数器5将探测到的β射线进行计数，并通过电缆将每秒的计数率M2传输到主机10；第三β盖革-弥勒计数器6将探测到的β射线进行计数，并通过电缆将每秒的计数率M3传输到主机10；第四β盖革-弥勒计数器7将探测到的β射线进行计数，并通过电缆将每秒的计数率M4传输到主机10；

温度传感器8将检测到的温度T以电子信号的方式通过电缆传输到主机10，主机10判断检测到的温度T是否低于4℃，若温度T低于4℃，则通过下式计算卤水中钾浓度：

P = \frac{A 1 \cdot N^{2} + B 1 \cdot M^{2} + C 1 \cdot N \cdot M + D 1 \cdot N + E 1 \cdot M + F 1}{G 1 \cdot T^{2} + H 1 \cdot T + I 1};

若温度T等于或高于4℃2，则通过下式计算卤水中钾浓度：

P = \frac{A 2 \cdot N^{2} + B 2 \cdot M^{2} + C 2 \cdot N \cdot M + D 2 \cdot N + E 2 \cdot M + F 2}{G 2 \cdot T^{2} + H 2 \cdot T + I 2};

式中：P为卤水中钾的浓度，g/kg；T为温度传感器8检测到的温度；N为NaI(T1)闪烁体探测器2传输给主机10的计数率；M为第一β盖革-弥勒计数器4、第二β盖革-弥勒计数器5、第三β盖革-弥勒计数器6、第四β盖革-弥勒计数器7传输到主机10的计数率的算术平均值，即M＝(M1+M2+M3+M4)÷4。

A1、B1、C1、D1、E1、F1、G1、H1、I1为公式的待定系数，可通过在卤水温度低于4℃的条件下，大量地取样，采用非线性回归拟合来获得。

A2、B2、C2、D2、E2、F2、G2、H2、I2为公式的待定系数，可通过在卤水温度等于或高于4℃的条件下，大量地取样，采用非线性回归拟合来获得。

本发明的有益效果：由于自然界中存在着大量的高能宇宙射线以及环境辐射本底，这些都会对单独的γ射线或β射线检测带来干扰，影响测量精度。

而本发明则采用一定厚度的铅板对NaI(T1)闪烁体探测器进行屏蔽，使得NaI(T1)闪烁体探测器探测到的γ射线主要来自探测腔体前方的卤水，减少了宇宙高能射线以及环境辐射本底对测量的影响。

同样的，由于需要分析的β射线为最高能量为1.33MeV的连续能谱β射线，因此对β探测器的射线能量分辨能力要求不是很高，仅要求计数即可，故此选用造价便宜的β盖革-弥勒计数器便可以满足应用的要求，降低仪表的造价。

并且本发明所选用的β盖革-弥勒计数器对γ射线不敏感，仅对带电粒子敏感，而α射线在固体物质中的射程一般只有几微米，完全可以被探测腔体屏蔽，保证了自然界中α射线对本仪表的测量没有影响；而且最高能量为1.33MeV的连续能谱β射线的穿透能力要大大低于能量为1.46MeV的γ射线，因此当探测腔体完全浸入卤水后，即便不用铅对β盖革-弥勒计数器屏蔽，也可保证β盖革-弥勒计数器所测量到的射线计数主要来自于卤水中K-40所辐射出的β射线，达到了减少宇宙高能射线以及环境辐射本底对测量影响的目的。

并且本发明所采用的测量方法是同时测量K-40衰变辐射出的β射线和γ射线，在计算过程中，两种射线的计数相互修正、补偿，使得测量更加全面，弥补了只单一测量其中某种射线而导致的测量片面性的不足，减小了当环境发生改变时可能对某种射线带来较大干扰所引起的测量误差。

另外，本发明充分考虑到了在自然条件下，温度变化会导致卤水的密度变化，通过温度测量来修正由于卤水热胀冷缩导致密度变化而给测量带来的影响。具体地说，当相同数量的钾原子分别存在于体积相同、但密度不同的卤水中时，两种液体的钾浓度是不同的，但是探测器所能检测到的K-40的β射线和γ射线的数目却是相同的。而在测量中采取了温度的补偿修正之后，则避免了这种由温度引起卤水密度变化而对测量带来的误差。

而采用聚四氟乙烯材质来制作探测腔体，则能更好地避免了卤水对仪表表面的腐蚀，延长仪表的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的仪表结构示意图；

图2是图1的A-A视图及与仪表主机的连接示意图；

图3是采用两个β盖革-弥勒计数器的仪表结构示意图。

图中：1探测腔体；2NaI(T1)闪烁体探测器；3铅制屏蔽；4第一β盖革-弥勒计数器；5第二β盖革-弥勒计数器；6第三β盖革-弥勒计数器；7第四β盖革-弥勒计数器；8温度传感器；9防水接头；10主机。

具体实施方式

结合附图详细说明本发明的仪表结构和使用方法。

目前，金属钾已发现的同位素从K-32到K-55一共有25种同位素，但是在自然条件下存在的钾，有三种同位素，分别是K-39、K-40、K41。其中K-39和K-41为稳定性同位素，不具有放射性。而K-40则是非稳定性同位素，能够通过衰变放射出最高能量为1.33MeV的连续能谱β射线和能量为1.46MeV的γ射线。而K-40在天然钾中的丰度为0.012％，是一个恒定的量。这样我们可以通过测量卤水中的K-40的多少，进而推断出卤水中钾元素的浓度来。

一种实时监测卤水中钾浓度的仪表，如图1，图2所示：探测腔体1为聚四氟乙烯制成，外观为圆柱体形状，在探测腔体1的中间位置安装有NaI(T1)闪烁体探测器2，NaI(T1)闪烁体探测器2具体所包含的NaI(T1)晶体、光电倍增管、电源电路、信号处理电路等，已经为行业内人士所共知。

NaI(T1)闪烁体探测器2的功能为：当γ射线被NaI(T1)晶体接收到，使NaI(T1)晶体受激产生荧光；该荧光被第一光电倍增管接收到并将之转化为电信号，该电信号为幅度与入射γ射线能量成一定线性关系的脉冲信号；当该脉冲信号传输到信号处理电路后，被甄别出对应能量为1.46MeV γ射线的脉冲信号，并每秒进行累计计数，该计数率的多少，反映了NaI(T1)晶体在该秒内接收到的1.46MeVγ射线的强度。该计数率信号最终被电缆传输给仪表的主机(10)。NaI(T1)闪烁体探测器2的电源电路、信号处理电路可由具有相关核电子学知识的行业内人士，根据所需要实现的具体功能所设计生产。

在NaI(T1)闪烁体探测器2的周围均匀对称安置着四个β盖革-弥勒计数器，分别为：第一β盖革-弥勒计数器4、第二β盖革-弥勒计数器5、第三β盖革-弥勒计数器6、第四β盖革-弥勒计数器7，β盖革-弥勒计数器所具体包含的β盖革-弥勒管、电源电路、计数电路等，已经为行业内人士所共知。

β盖革-弥勒计数器的作用是：将β盖革-弥勒管所接收到的β射线的个数进行每秒累计。该结果最终由电缆传输给仪表的主机(10)。β盖革-弥勒计数器的电源电路、计数电路可由具有相关核电子学知识的行业内人士，根据所需要实现的具体功能所设计生产。

在NaI(T1)闪烁体探测器2的周围，除了γ探测器前端的位置，包裹有一定厚度、成一端封闭圆筒状的铅制屏蔽3，用来屏蔽自然界中的高能宇宙射线，减少自然界中高能宇宙射线对测量精度的影响。

在探测腔体1的前端，装有温度传感器8，温度传感器8的检测温度的部分，裸露于探测腔体表面。

在探测腔体1的后端，装有防水接头9，有电缆从防水接头引出，为NaI(T1)闪烁体探测器2、第一β盖革-弥勒计数器4、第二β盖革-弥勒计数器5、第三β盖革-弥勒计数器6、第四β盖革-弥勒计数器7、温度传感器8提供工作电源，并将NaI(T1)闪烁体探测器2、第一β盖革-弥勒计数器4、第二β盖革-弥勒计数器5、第三β盖革-弥勒计数器6、第四β盖革-弥勒计数器7、温度传感器8的信号传输给仪表主机10。该电缆的选型，可以由行业内人士根据需要传输的电源电压、电流以及信号的性质，依据常规的选型原则进行。

使用上述实时监测卤水中钾浓度的仪表的检测方法：

可以通过各种固定设施，将探测腔体1置于卤水中，要求卤水完全没过探测腔体1，且探测腔体1的前端朝向下方或侧方。

NaI(T1)闪烁体探测器2从接收到的全部的γ射线中甄别出属于K-40的能量为1.46MeV的γ射线来，并对数量进行累计，将每秒的计数率N实时的通过电缆传输到主机10。

第一β盖革-弥勒计数器4将探测到的β射线进行计数，并通过电缆将每秒的计数率M1传输到主机10。

第二β盖革-弥勒计数器5将探测到的β射线进行计数，并通过电缆将每秒的计数率M2传输到主机10。

第三β盖革-弥勒计数器6将探测到的β射线进行计数，并通过电缆将每秒的计数率M3传输到主机10。

第四β盖革-弥勒计数器7将探测到的β射线进行计数，并通过电缆将每秒的计数率M4传输到主机10。

温度传感器8将检测到的温度T以电子信号的方式通过电缆传输到主机10。

主机10首先根据判断温度传感器8将检测到的温度T是否低于4℃，若温度T低于4℃，则通过下式计算卤水中钾浓度浓度：

P = \frac{A 1 \cdot N^{2} + B 1 \cdot M^{2} + C 1 \cdot N \cdot M + D 1 \cdot N + E 1 \cdot M + F 1}{G 1 \cdot T^{2} + H 1 \cdot T + I 1};

若温度T等于或高于4℃，则通过下式计算卤水中钾浓度浓度：

P = \frac{A 2 \cdot N^{2} + B 2 \cdot M^{2} + C 2 \cdot N \cdot M + D 2 \cdot N + E 2 \cdot M + F 2}{G 2 \cdot T^{2} + H 2 \cdot T + I 2};

式中：P为卤水中钾的浓度；T为温度传感器8检测到的温度；N为NaI(T1)闪烁体探测器2传输给主机10的计数率；M为第一β盖革-弥勒计数器4、第二β盖革-弥勒计数器5、第三β盖革-弥勒计数器6、第四β盖革-弥勒计数器7传输到主机10的计数率的算术平均值，即M＝(M1+M2+M3+M4)÷4。

A1、B1、C1、D1、E1、F1、G1、H1、I1为公式的待定系数，可通过在卤水温度低于4℃的条件下，大量地取样，采用常规的非线性回归拟合来获得。

A2、B2、C2、D2、E2、F2、G2、H2、I2为公式的待定系数，可通过在卤水温度等于或高于4℃的条件下，大量地取样，采用常规的非线性回归拟合来获得。

本实施例采用四个β盖革-弥勒计数器，β盖革-弥勒计数器的数量进行适当增减，也能达到相同的检测目的。探测腔体的外观形状亦可随之做适当修改。

如图3所示，即为探测腔体的外观形状是椭圆柱体，采用两个β盖革-弥勒计数器形式的结构示意图。

当采用β盖革-弥勒计数器的数量发生变化时，计算公式的形式无须变化，仅其中变量M的来源做适当修改：

M = \frac{1}{n} \cdot Σ_{i = 1}^{n} Mi

其中n为所采用的β盖革-弥勒计数器的总个数，Mi为第i个β盖革-弥勒计数器传输到主机的计数率。

具体应用实例：

探测腔体为聚四氟乙烯制成，外观为圆柱体形状圆柱状；

NaI(T1)闪烁体探测器的前端，距离探测腔体的外表面为3mm；

NaI(T1)闪烁体探测器中的NaI(T1)晶体尺寸为直径10em、厚度10em，光电倍增管采用北京滨松光子技术股份有限公司生产的CR165，电源电路及信号处理电路由专业生产厂家订制；

β盖革-弥勒计数器及NaI(T1)闪烁体探测器由专业生产厂家订制；

NaI(T1)闪烁体探测器外面包裹的铅制屏蔽厚度为3mm；

通过固定设施，将探测腔体前端向下地置于卤水中，并且卤水完全没过探测腔体。

经过大量地取样与化验对照，根据取样时卤水温度依照是否低于4℃将数据分为二组，将其中低于4℃的那组数据通过非线性回归拟合算法，得到相关系数如下：

A1＝0.2563；B1＝0.7227；C1＝-1.3465；D1＝11.3986；E1＝-3.5578；F1＝2.4347；G1＝-0.1039；H1＝4.2873；I1＝1.8763。

类似的，将其中等于或高于4℃的另一组数据通过非线性回归拟合算法，亦可得到相关系数A2、B2、C2、D2、E2、F2、G2、H2、I2。

Claims

1.一种实时监测卤水中钾浓度的仪表，其特征是：在探测腔体(1)的中间位置安装有NaI(T1)闪烁体探测器(2)，在NaI(T1)闪烁体探测器(2)的周围均匀对称置有四个β盖革-弥勒计数器，分别为；第一β盖革-弥勒计数器(4)、第二β盖革-弥勒计数器(5)、第三β盖革-弥勒计数器(6)、第四β盖革-弥勒计数器(7)，在NaI(T1)闪烁体探测器(2)上装有一端封闭圆筒状的铅制屏蔽(3)，在探测腔体(1)的前端，装有温度传感器(8)，在探测腔体(1)的后端，装有防水接头(9)，防水接头(9)引出电缆，电缆另一端连接仪表主机(10)。

2.使用权利要求1的一种实时监测卤水中钾浓度的仪表的检测方法，其特征是：将探测腔体(1)置于卤水中，要求卤水完全没过探测腔体(1)，启动仪表；

NaI(T1)闪烁体探测器(2)从接收到的全部的γ射线中甄别出属于K-40的能量为1.46MeV的γ射线来，并对数量进行累计，将每秒的计数率N实时地通过电缆传输到主机(10)；

第一β盖革-弥勒计数器(4)将探测到的β射线进行计数，并通过电缆将每秒的计数率M1传输到主机(10)；第二β盖革-弥勒计数器(5)将探测到的β射线进行计数，并通过电缆将每秒的计数率M2传输到主机(10)；第三β盖革-弥勒计数器(6)将探测到的β射线进行计数，并通过电缆将每秒的计数率M3传输到主机(10)；第四β盖革-弥勒计数器(7)将探测到的β射线进行计数，并通过电缆将每秒的计数率M4传输到主机(10)；

温度传感器(8)将检测到的温度T以电子信号的方式通过电缆传输到主机(10)，主机(10)判断检测到的温度T是否低于4℃，若温度T低于4℃，则通过下式计算卤水中钾浓度：

P = \frac{A 1 \cdot N^{2} + B 1 \cdot M^{2} + C 1 \cdot N \cdot M + D 1 \cdot N + E 1 \cdot M + F 1}{G 1 \cdot T^{2} + H 1 \cdot T + I 1};

若温度T等于或高于4℃，则通过下式计算卤水中钾浓度：

P = \frac{A 2 \cdot N^{2} + B 2 \cdot M^{2} + C 2 \cdot N \cdot M + D 2 \cdot N + E 2 \cdot M + F 2}{G 2 \cdot T^{2} + H 2 \cdot T + I 2};

式中：P为卤水中钾的浓度，g/kg；T为温度传感器(8)检测到的温度；N为NaI(T1)闪烁体探测器(2)传输给主机(10)的计数率；M为第一β盖革-弥勒计数器(4)、第二β盖革-弥勒计数器(5)、第三β盖革-弥勒计数器(6)、第四β盖革-弥勒计数器(7)传输到主机(10)的计数率的算术平均值，即M＝(M1+M2+M3+M4)÷4；

A1、B1、C1、D1、E1、F1、G1、H1、I1为公式的待定系数，通过在卤水温度低于4℃的条件下，大量地取样，采用非线性回归拟合来获得；

A2、B2、C2、D2、E2、F2、G2、H2、I2为公式的待定系数，通过在卤水温度等于或高于4℃的条件下，大量地取样，采用非线性回归拟合来获得。